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典型炼油企业碳减排方式与潜力研究

发表时间: 2023-04-23 17:20:05

作者: 《现代化工》2023年第3期

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摘要:作为我国碳减排的重点行业,石油石化行业面临严峻的形势和较大的难题。炼油作为石油石化产业链的中间环节,碳排放点源多、工艺复杂,低碳减碳面临艰巨挑战,采取何种手段来应对“双碳”目标亟待探讨。以核算典型炼油企业全生命周期碳排放为基础,分析主要碳减排措施减排潜力,比较碳交易市场价格和碳减排成本,发现节能降耗、CCUS技术分别是典型炼油企业在碳达峰前、后应对碳减排的有效方式。

2020年9月,中国提出“双碳”目标,力争在2030年实现“碳达峰”,2060年实现“碳中和”。在“十四五”能源规划中,我国明确提出要进行“能源革命”。2021年,中共中央、国务院接连发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》,标志着中国“1+N”的“双碳”政策体系形成,并进入实质性实施阶段,各级行政主体与各重点行业“双碳”目标的实施方案将有据可依。为实现“双碳”目标,我国正有条不紊地推进各种措施施行,在生产、消费的各个环节中,石油石化行业作为碳减排重点行业,也在响应国家号召,积极筹划,减少碳排放。

炼油化工是石油石化产业链的中游生产环节,为社会提供品类丰富的化石能源,由于其生产工艺复杂,涉及化学反应的环节较多,造成碳排放量也较大。我国炼油化工生产存在着能源利用效率低、生产环节造成碳排放量大的情况。基于此,本文试图探寻典型炼油企业碳减排的有效措施。首先通过核算典型炼油企业全生命周期碳排放量,结合排放点源提出减排措施;其次,估算碳减排方式的减排潜力,比较绿氢、绿电、CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage,碳捕获、封存和利用)、节能等碳减排方式的实施效果;最后,将3种碳减排方式的成本与碳交易市场价格比较,提出炼油企业碳减排的可行路径。

1  方法综述

碳排放核算方法可分为宏观和微观两大类,宏观估算模型较大范围地对碳排放核算给出概念性的解释与方法,而微观模型则针对不同的排放源类型给出了不同的估算方法。国内外兼具宏观与微观视角的、适用广泛的估算方法主要有排放因子法、实测法、物料衡算法、生命周期法等。这些方法在使用过程中各有所长,互为补充,且不同的方法测算结果会有所差异。

(1)排放因子法

排放因子法(Emission-Factor Approach)也叫排放系数法,是IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change,联合国政府间气候变化专门委员会)提出的一种较为广泛使用的碳排放估算方法,该方法依照碳排放清单,针对每一种排放源,构造其活动数据与排放因子,以二者乘积作为该排放项目的碳排放量估算值。国内外均有学者采用排放因子法对能源行业的CO2排放量进行核算。

(2)实测法

实测法(Experiment Approach)主要基于排放源的现场实测基础数据,通过科学合理的监测手段或国家有关部门认定的连续计量设施,得到相关的碳排放量。该方法中间环节少,结果较准确,但数据获取难度大,且结果容易受到所选取的测量样品、测量精度的干扰。刘晋宏等基于稀释通道采样系统,对超低排放改造后的燃煤电厂开展实测,获得该燃煤电厂的实时排放质量浓度。

(3)物料衡算法

物料衡算法(Material Balance)是基于生产系统中输入输出物料质量守恒建立的核算方法,即生产过程中,投入某系统或设备的物质质量必须等于该系统产出物质的质量。仅考虑生产系统碳元素流动情况,物料衡算法也被称为碳平衡法。刘小平等采用物料衡算及物料平衡的方法对我国炼厂的典型脱碳型流程CO2排放进行了核算;牛亚群等采用物料衡算法为主、排放因子法为辅,对炼油企业燃烧排放、工艺过程排放和间接排放3类排放源的CO2排放量进行了估算。

(4)生命周期法

生命周期法(Life Cycle Assessment)是一种对某些产品、工艺或活动,从原材料的开采、生产加工、包装、运输、消费以及回收和最终处理全部阶段进行量化,并将其对环境影响进行分析与评价的方法。该方法作为环境评估的决策方法已广泛用于各个领域,近年来在评估石油行业CO2排放相关领域也被大量地应用。有学者通过生命周期评估的方法对燃料生产进行了温室气体排放的分析和测算。Khan等人对多种石油、天然气燃料进行了能源消耗和温室气体排放量的比较分析。Masnadi等人对供应中国石油市场的一些主要油田的原油开采和运输的上游温室效应强度和能源使用进行生命周期的建模和分析。

综合比较,上述4种方法的适用尺度、优缺点、适用对象比较详见表1。

表1  碳排放核算方法比较

方法

适用

尺度

优点

缺点

适用对象

排放因子法

宏观

中观

微观

简单明确易于理解、应用成熟广泛且有大量的实例案例作为参考

对排放系统自身变化的处理能力比较差

社会经济排放源变化较为稳定且排放源不是很复杂的情况

实测法

微观

中间环节少

且测量结果准确

数据获取难,对测量过程要求严格

适用于微观、有能力获取一手数据情况

物料衡算法

中观

微观

准确度高,对于长期稳定的产品、工艺,在算法成熟的基础上和酸楚的数据准确性较高

工作量大,基础数据要求高,适用范围小

适用于能够长期稳定运行、技术工艺单一、中间产物等成分不复杂的产品和工艺

生命周期法

宏观

中观

微观

计算简便、全面

结果不够精确

适用于生命周期延续性较长、具有多个阶段的对象

(5)情景分析法

碳排放量与减排量受多重因素的干扰,容易产生不同的发展趋势,在对不同主体进行碳排放或减排量的分析时,多采用情景分析法。情景分析法(Scenario Analysis)也称为前景描述法,它在现有状况下,设想事物按照多种趋势持续发展到未来的某个时间点,预测分析在该时间点时,每一种趋势下事物可能发生的情况。张巍构建STIRPAT模型,并针对陕西省的碳排放变化趋势,以投资增长、人均工业增长、能源强度下降、能源结构等为变量设置了8种未来情景,分析结果表明控制碳排放量的关键为优化能源消费结构、降低能源消耗强度;芦颖等采用情景分析法,以人口规模、人均GDP、城市化率、碳排放强度、能源结构及第二产业占比为情景参数变量,对贵州省不同情景模式的碳排放量与达峰时间进行预测,研究发现,不同的情景模式参数设置都可能导致贵州省CO2达峰时间的不同以及峰值大小的不同;李建豹等将GDP、单位国内生产总值能耗、能源排放强度和技术因素作为变量,设置3种情景对长三角区的碳排放进行模拟研究,并提出低碳发展的策略;刘俊伶等针对中国工业部门的减碳问题,基于低碳发展情景设计的基本原则和方法,设计了基准情景和4种低碳情景,探讨不同情景下低碳转型的可能路径,结果表明能效提升和能源结构优化对低碳转型的意义重大;吴青龙等设定基准情景、节能情景和低碳情景对山西碳排放峰值进行预测,结果表明山西省从开放视角关注全国层面的减能发展状况更有利于减排。

2  典型炼油企业碳排放全生命周期核算

炼油过程中CO2的排放主要分为直接和间接排放两部分。CO2直接排放主要是各类锅炉、加热器和火炬等消耗燃料产生的燃烧排放,催化重整、催化裂化、制氢、焦化等过程中产生的工艺排放,以及生产过程中设备缝隙逸散的逃逸排放;CO2间接排放即为外购电力、热和蒸汽在生产过程中产生的排放,如图1所示。

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图1  炼油企业CO2排放源

根据碳平衡原理,炼油企业中CO2排放主要来源于原料、燃料的利用。结合上述碳排放测算方法比较,本文使用物料平衡法和排放因子法对排放的CO2进行估算。

直接排放的估算主要采取物料平衡法。假设燃烧物质所有的碳元素都转化为CO2,并忽略不完全燃烧,如公式(1)所示。

6444f6e5f178a.png      (1)

FC代表燃烧物质的量,Wt代表燃烧物质含碳量,T代表时间。催化过程中,催化剂使用的计量依据为已使用的催化剂的含碳量去除再生的催化剂的含碳量。

间接排放的估算主要采取排放因子法,如公式(2)所示。

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P代表外购能源的量,β代表排放因子,T代表装置或工艺运行时间长度。

总的CO2排放量如公式(3)所示:

6444f719b69ab.png   (3)

本研究选取2家具有一定代表性的炼油企业进行了调研,其中1家为传统炼油企业,以生产汽油、柴油等燃料产品为主,原油加工能力为1250万t/a,投资额在300亿元左右;另1家为炼化一体化型炼厂,在生产汽油、柴油等燃料产品的同时还大量生产乙烯、丙烯、对二甲苯等化工产品,原油加工能力为1500万t/a,投资额为620亿元左右。估算所用参数从相关研究文献中获取。

经上述方法估算,传统型炼厂CO2排放量约为461.118万t/a,单位CO2排放消耗的原油加工量即碳绩效为2.711 t/t CO2;而炼化一体化型炼厂CO2排放量约为165.680万t/a,碳绩效为9.054 t/t CO2,二者相比,炼化一体化型炼厂的碳绩效是传统型炼厂的3倍多。由此可见,传统型炼厂向炼化一体化炼厂转变,最终向化工型炼厂转型是降低碳排放、提高效益的重要手段。

在炼油企业的生产过程中,各排放源的CO2排放量也有差距。表2、3显示了2种企业CO2排放源的排放比例。由于催化裂化的工艺复杂,该环节对反应条件的要求较高,且需要进行催化剂烧焦除碳,所以无论是何种类型的炼厂,催化裂化装置都是较大的CO2排放源。在传统炼厂中,催化裂化与制氢对CO2排放贡献率最大,催化裂化所造成的碳排放量最多,高达总排放量的42.7%;其次是制氢占13.0%。在炼化一体化项目中,制氢、常减压蒸馏与催化裂化对碳排放的贡献率最大,造成碳排放最高的环节是制氢,占总碳排放比例的24.59%;催化裂化的碳排放比例比传统型炼厂明显下降,仅占14.81%;常减压蒸馏作为炼化环节的第一步,其碳排放量占总量的15.34%。

炼化一体化炼厂与传统炼厂最大的区别在于传统炼厂生产的产品是成品油,而一体化炼厂生产的最终产品是化工品,降低了汽柴油的收率,提高化工品的产出比例,产品的整体收率也有所上升。

表2  传统型炼油企业CO2排放源排放比重

环节

催化

裂化

制氢

外购电、热、

蒸汽

锅炉和

加热器

引擎和燃气

涡轮机

火炬

焚烧炉

其他

比重

0.4268

0.1299

0.0645

0.2515

0.0897

0.0334

0.0039

0.0003

表3  炼化一体化企业CO2排放源排放比重

环节

制氢

常减压

催化裂化

加氢裂化

连续重整

延迟焦化

加氢

其他

比重

0.2459

0.1534

0.1481

0.1052

0.1031

0.0940

0.0867

0.0636

3  炼油企业碳减排方式及潜力

结合炼油企业生产过程,相对应的碳减排途径主要有三大类,即从源头上、从工艺上和从排放位点源上进行碳减排。从源头上减少碳排放的方式,一是通过技术进步,节约能源,降低碳排放;二是通过“绿电”代替火电,减少间接排放。从工艺上减少碳排放的方式,一是用“绿电”电解水的方式生产“绿氢”,来代替“灰氢”;二是替换炼厂工艺流程,将传统炼厂改造或新建化工原料型炼厂,提高原料利用率,降低碳排放。从排放点位治理上,最有效的碳减排方式为CCUS。本文以上述传统型炼油企业为例,估算4种碳减排方式的减排潜力。

3.1  节能降耗

节能降耗是炼油企业最直接、难度较小的减排方式。从工艺装置上,随着新催化剂、新反应等新材料或技术的应用,能为炼厂碳减排带来一定的节能降耗空间。催化裂化过程是炼厂较大的能耗源之一,也是碳排放量较大的环节,从催化剂的角度来看,可通过催化原料加氢处理提高产物氢含量,补足原料的碳氢比,降低焦炭选择的可能性,也能降低能源消耗;此外,提高低温余热利用率、蒸汽动力系统能效,通过管理手段细化工作流程,适时更换、维修零部件来提高装置效率等,也能降低炼油企业能耗。但在装置节能方面,常减压蒸馏、连续重整等技术发展历史较长也较为成熟,其能耗强度已经有了较大的下降,日常工作中的节能降耗空间也有限,因此,参考已有研究设置,假设节能降耗降低碳排放量为5%,且以每年增长0.1%的速度上涨。

3.2  绿电

电力使用造成的排放也是炼油企业碳排放的主要来源之一,包含两部分:一是外购电、热、蒸汽产生的间接碳排放,二是炼油企业自身生产电、热、蒸汽产生的碳排放。外购电、热等随着可再生能源电力上网并网技术、储能技术的发展,可逐渐减少相应部分的碳排放;炼油企业自身生产电、热、蒸汽涉及全场的蒸汽平衡和安全生产,调整难度较大。绿电替代外购电力和自发电占比预测参数设置见表4。同时考虑到清洁能源替代的稳定性和安全性,保留30%的火电占比,来确保安全稳定生产。

表4  绿电替代外购电力、自发电占比预测  %

年份

外购煤电装机占比

自发电绿电占比

2019

52

45

2020

49

51

2025

37

63

2030

28

72

2040

13

88

2050

4

96

2060

0

100

数据来源:全球能源互联网发展合作组织《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》

3.3  绿氢

无论是传统型炼油企业还是炼化一体化企业,制氢装置都是高耗能、高碳排放装置之一,制氢工艺碳减排是炼油企业开展碳减排工作的重点之一。国内大型石油央企发展氢气业务的总体思路是先用天然气制取的“蓝氢”代替煤制取的“灰氢”,再用可再生能源电力制取的“绿氢”替代“蓝氢”和“灰氢”。康奈尔和斯坦福大学的一项联合研究结果表明,“蓝氢”的全生命周期碳排放甚至比直接燃烧天然气还要高20%,并不够“低碳”。因此本文结合绿电发展预测参数设置“绿氢”占比,从而计算“绿氢”途径碳减排潜力,详见表5。

表5  “蓝氢”“绿氢”替代占比变化预测    %

年份

“蓝氢”“绿氢”占比

“绿氢”占比

2019

0

0

2030

4

2

2040

40

30

2050

76

70

2060

96

96

数据来源:中国石化经济技术研究院

3.4  CCUS

CCUS技术是国际能源署(IEA)和联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)等国际机构认可和推崇的、有可能实现净零排放的有效技术之一。受制于技术、成本等因素,还未得到大规模的使用,但国内已有相关企业试点CCUS驱油项目,未来CCUS将会成为炼油企业减少碳排放的重要途径。结合已有试点及研究,炼油企业对高浓度、稳定源的碳排放开展CCUS方式的减排较多,而催化裂化过程是稳定的CO2排放源,因此本研究假设对催化裂化过程的CO2排放采取CCUS方式的减排,处理CO2数量增速按照国家能源技术经济研究院预测CCUS技术水平发展速度假设,详见表6。

表6  CCUS技术发展水平变化预测

年份

技术进展

CO2利用封存量/万t

2020

-

-

2025

掌握现有技术设计建造能力

2000

2030

掌握现有技术产业化能力

5000

2035

掌握新技术产业化能力

10000

2040

掌握项目集群产业化能力

27000

2050

实现广泛部署

97000

数据来源:国家能源技术经济研究院《中国CCUS技术发展趋势分析》

根据上述4种炼油企业碳减排方式发展水平预测假设,结合传统型炼油企业碳排放情况,计算相应碳减排方式的减排潜力,如图2所示。在碳达峰之前,节能降耗是炼油企业碳减排的有效手段,企业可利用节能降耗的方式降低碳排放,从而降低碳达峰点;2030年及碳达峰之后,可再生能源发电、绿氢、CCUS等技术发展到一定水平,碳减排潜力凸显,尤其是炼油企业外购和自产电、热、气均被可再生能源替代后,CCUS技术的潜力就更为突出,能有效处理其他排放源的碳排放,减少企业碳排放。

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图2  4种碳减排方式减排潜力

4  碳交易价格对碳减排方式影响

根据清华大学研究团队对于中国2060年碳中和情景下未来碳价水平的预测(以2020年人民币不变价为基准),2025年中国的碳价水平将达到近70元/t,2030年将超过100元/t,2060年将超过2700元/t,如图3所示。

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图3  清华大学预测碳价水平变化

(2020年人民币不变价)

根据已有研究,预测绿电、绿氢和CCUS  3种碳减排未来成本变化,如表7所示。结合相应减排潜力和碳交易价格,计算减排效益,节能降耗的成本和减排潜力较低,此处不予考虑,结果如图4所示。

表7  3种碳减排方式成本变化预测

元/tCO2

年份

绿电

绿氢

CCUS

2020

1083.3

1458.3

200.0

2025

1015.6

1354.2

175.0

2030

776.6

1250.0

150.0

2035

665.7

937.5

125.0

2040

517.8

625.0

100.0

2045

494.2

562.5

90.0

2050

472.7

500.0

80.0

2055

462.9

458.3

85.0.

2060

453.4

416.7

70.0

数据来源:笔者估算整理

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图4  3种碳减排方式减排效益比较

根据图4,2030年之前,碳市场价格明显低于3种碳减排路径成本,仅通过碳交易市场的手段促进企业碳减排,易存在动力不足的情况。2030年后,企业采取CCUS的方式进行碳减排,具有明显的正向效益;采取绿电和绿氢的方式,在2045年后才会获得明显的正向效益。比较结果符合现实情况,绿电、绿氢的技术核心在于可再生能源发电的并网、储存技术,以及发电的稳定性,成本较高;CCUS的成本相比绿电较低,但大规模的捕集、运用技术还不成熟,一旦突破技术瓶颈,CCUS技术将成为石油石化行业碳减排最有效的手段之一。

5  结论与建议

石油石化行业是我国碳减排的重点行业,而炼化作为中间环节,工艺流程长、复杂程度高,因此,选取科学、合理的碳减排路径是炼油企业,甚至整个石油石化行业实现碳达峰、碳中和的重要环节。为此,本文首先估算典型炼油企业CO2排放量,炼化一体化企业的碳绩效明显高于传统炼厂;继而对4种主要的碳减排途径进行发展水平预测,结合炼油企业CO2排放点源与排放量,预测其碳减排潜力,结果表明绿电替代和CCUS是炼油企业实现碳减排最有潜力的方式;最后将各碳减排路径成本变化和全国碳市场价格进行比较,发现二者差值在碳价为287~435元/t这一区间,即2035—2040年间,处于临界值;2045年后,碳减排成本明显低于碳价。基于上述研究结果,提出如下建议:

国家层面上,我国炼油产能一直存在过剩的现象,后续建议严格石油石化行业准入审批,严防落后产能进入,同时有序淘汰现有落后产能,引导新进入企业选择深加工、低碳的工艺流程,行业主体产能逐渐向炼化一体化炼厂、化工型炼厂转变,有助于降低石油石化行业碳达峰时的碳排放总量。国家可运用顶尖科研力量,一方面提供技术指导,另一方面出台政策指引,细化阶段性碳减排目标,在碳交易市场驱动力不足时,通过更详细的阶段性目标或其他措施来提高企业主体碳减排动力。同时,应继续规范全国碳交易市场,确定纳入范围,制定统一科学可行的碳核算方法,更充分地发挥碳市场作用,通过市场手段有效降低碳排放。

行业层面上,建议发挥行业协会等民间组织的作用,一方面是加强信息交流的途径、频次和深度,便于石油石化行业碳减排技术、途径的交流与传播,提高行业整体碳减排水平;另一方面有助于协助国家制定更符合行业实际、更可行的标准与政策。

企业层面上,后续新建产能和流程改造应延长产业链,转变产品类型,未来对汽油、柴油的需求不是无限增加的,但化工品市场还有广阔的空间,提高产品收率,有助于提高企业碳绩效;在创新低碳技术还不够成熟时,要充分挖掘工艺流程中的节能潜力,以节能降耗的方式来降低碳排放。中小型企业可先采取进行加氢裂化装置改造等手段,降低碳排放;大型企业节能降耗的同时实施创新驱动战略,大力发展低碳技术,加快清洁能源、储能,尤其是CCS(碳捕集与封存)、CCUS等关键技术突破,提高未来在绿色低碳领域的核心竞争力。同时,炼油企业可逐步开展企业内部碳成本核算工作,开展碳资产管理,做到主动、有效地应对碳交易市场价格变化。